一、引言

在现代机械工程中，减速器是一种常见的传动装置，其主要功能是降低驱动轴的转速并增加扭矩，二级展开式圆柱齿轮减速器作为其中的一种类型，具有结构紧凑、传动效率高、承载能力大等优点，被广泛应用于各种机械设备中，本文将详细介绍湖南某学校机械设计课程中的二级展开式圆柱齿轮减速器的设计过程，包括设计任务书、动力机的选择、传动装置的运动和动力参数计算、传动件设计计算、轴的设计、滚动轴承的计算、连接的选择和计算以及润滑方式与密封装置的选择。

二、设计任务书

设计目标

设计一款二级展开式圆柱齿轮减速器：该减速器应具备高传动效率、低噪音、长寿命等特点。

满足特定工况需求：根据使用场景的不同，减速器需要满足特定的输入输出转速比、扭矩传递要求以及工作环境条件。

技术参数

输入转速：电机额定转速为1500rpm。

输出转速：要求输出转速为300rpm。

传动比：总传动比i = 5。

载荷要求：最大传递扭矩为1000Nm。

设计约束条件

空间限制：减速器的最大外径不超过500mm，长度不超过600mm。

成本控制：在保证性能的前提下，尽可能降低材料成本和制造成本。

三、动力机的选择

动力源类型

在本设计中，我们选择三相异步电动机作为动力源，三相异步电动机具有结构简单、维护方便、成本低廉等优点，适用于大多数工业应用场景。

电动机型号及参数

型号：Y132S-6

额定功率：3kW

额定转速：960rpm

额定电压：380V

额定电流：6.8A

频率：50Hz

四、计算传动装置的运动和动力参数

传动比分配

由于总传动比i = 5，考虑到两级传动的效率和结构紧凑性，我们将传动比分配为：

高速级传动比：$i_1 = 2.5$

低速级传动比：$i_2 = 2$

各轴转速计算

高速级输入转速：$n_1 = 960 \text{rpm}$

高速级输出转速：$n_{out1} = \frac{n_1}{i_1} = \frac{960}{2.5} = 384 \text{rpm}$

低速级输入转速：$n_{in2} = n_{out1} = 384 \text{rpm}$

低速级输出转速：$n_{out2} = \frac{n_{in2}}{i_2} = \frac{384}{2} = 192 \text{rpm}$

各轴扭矩计算

高速级输入扭矩：$T_1 = T_{motor} \times i_1 = 2.5 \times T_{motor}$

高速级输出扭矩：$T_{out1} = T_1 + T_{loss1}$（考虑效率损失）

低速级输入扭矩：$T_{in2} = T_{out1}$

低速级输出扭矩：$T_{out2} = T_{in2} \times i_2 = T_{in2} \times 2$

五、传动件设计计算（齿轮）

齿轮材料选择

高速级齿轮：采用40Cr钢，调质处理，硬度为280HBS。

低速级齿轮：采用45钢，正火处理，硬度为240HBS。

齿轮模数和齿数确定

高速级齿轮模数：$m_1 = 2mm$

高速级小齿轮齿数：$z_1 = 20$

高速级大齿轮齿数：$z_2 = z_1 \times i_1 = 20 \times 2.5 = 50$

低速级齿轮模数：$m_2 = 3mm$

低速级小齿轮齿数：$z_3 = 20$

低速级大齿轮齿数：$z_4 = z_3 \times i_2 = 20 \times 2 = 40$

齿轮强度校核

根据刘易斯公式进行齿轮强度校核，确保齿轮在工作中不会发生断裂或过度磨损。

六、轴的设计

轴的材料选择

高速级轴：采用45钢，调质处理。

低速级轴：采用40Cr钢，淬火处理。

轴的直径和长度确定

高速级轴直径：$d_1 = 30mm$

高速级轴长度：根据齿轮宽度和轴承位置确定。

低速级轴直径：$d_2 = 40mm$

低速级轴长度：根据齿轮宽度和轴承位置确定。

轴的强度校核

使用莫尔圆法对轴进行强度校核，确保轴在承受最大载荷时不会发生断裂或变形。

七、滚动轴承的计算

轴承类型选择

高速级轴承：选用深沟球轴承。

低速级轴承：选用圆锥滚子轴承。

轴承尺寸确定

根据轴的直径和载荷情况，选择合适的轴承尺寸。

轴承寿命计算

根据轴承的基本额定动载荷和工作条件，计算轴承的预期使用寿命。

八、连接的选择和计算

键连接设计

高速级键连接：采用平键连接。

低速级键连接：采用花键连接。

螺栓连接设计

对于箱体与其他部件之间的连接，采用高强度螺栓连接。

九、润滑方式、润滑油牌号及密封装置的选择

润滑方式选择

齿轮润滑：采用浸油润滑方式。

轴承润滑：采用脂润滑方式。

润滑油牌号选择

齿轮润滑油：选用L-CKC320工业齿轮油。

轴承润滑脂：选用钙基润滑脂。

密封装置选择

齿轮密封：采用迷宫式密封。

轴承密封：采用毡圈密封。

十、结论

通过本次设计，我们成功完成了一款二级展开式圆柱齿轮减速器的设计与计算，该减速器不仅满足了设计任务书中的各项技术指标，还在结构紧凑性、传动效率和成本控制方面表现出色，我们将继续优化设计方案，提高减速器的性能和可靠性，以满足更多复杂工况的需求。